一種基于調(diào)頻噪聲干擾信號的協(xié)同探測定位技術(shù)

石 林，王 宏，周 宇

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

1 概 述

隨著電子戰(zhàn)系統(tǒng)和裝備技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子戰(zhàn)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可缺少的一種重要作戰(zhàn)手段。在電子對抗中，信息的獲取、戰(zhàn)場態(tài)勢的感知和掌控是現(xiàn)代戰(zhàn)爭獲勝的重要因素，對敵信息設(shè)備實施有效打擊更是制勝的法寶，集干擾與探測為一體的多功能設(shè)備，在電子戰(zhàn)設(shè)備的發(fā)展中受到極大的關(guān)注?；诟蓴_信號的協(xié)同探測定位技術(shù)，在己方干擾設(shè)備對敵方進行干擾打擊的同時，利用信號復(fù)用技術(shù)，將己方發(fā)射的干擾信號作為探測信號，對周圍目標進行協(xié)同探測和定位。

本文介紹了一種基于調(diào)頻噪聲干擾信號的協(xié)同探測定位技術(shù)的原理、設(shè)備組成、信號處理方法及試驗結(jié)果。

2 基于調(diào)頻噪聲干擾信號的協(xié)同探測定位技術(shù)

基于調(diào)頻噪聲干擾信號的協(xié)同探測定位技術(shù)，采用雙多基地體制，利用干擾發(fā)射設(shè)備發(fā)射調(diào)頻噪聲干擾信號，探測定位設(shè)備對目標回波進行接收和處理，完成對目標的探測和定位。

圖1所示為收發(fā)雙基地配置情況。發(fā)射干擾站與協(xié)同探測定位設(shè)備之間的基線距離L已知，協(xié)同探測定位設(shè)備測量得到距離和Rs=Rt+Rr和方位角θr。

圖1 定位原理示意圖

由余弦定理可得：

(1)

(2)

對于多目標而言，每個目標的位置可由各自的方位角及距離和唯一地確定。

3 信號波形設(shè)計

基于調(diào)頻噪聲干擾信號的探測定位技術(shù)的關(guān)鍵之處在于發(fā)射信號的波形設(shè)計，用于探測的調(diào)頻噪聲干擾信號的架構(gòu)形式有2種[1]：一種是利用純干擾進行探測；一種是復(fù)合波形，在干擾信號中開窗，在開窗期間加入探測信號，即干擾探測一體化波形。

純干擾波形的信號如圖2所示，發(fā)射的信號就是經(jīng)過設(shè)計的準連續(xù)噪聲調(diào)頻干擾信號，其中PRT是指脈沖重復(fù)周期。

圖2 純干擾波形的干擾探測信號

純干擾波形的發(fā)射信號既是干擾波形又是探測波形。干擾時大功率發(fā)射干擾信號，覆蓋敵雷達工作頻段，降低敵方雷達的探測能力；同時利用該大功率的干擾信號還可以探測敵目標周圍無源目標，對敵方目標進行精確定位，干擾和探測同時完成。

干擾探測一體化的復(fù)合波形如圖3所示，黑色部分為探測信號，白色部分為干擾信號。探測波形采用具有特定信號特征的信號，如線性調(diào)頻信號、噪聲調(diào)頻信號或其它信號；而干擾信號波形采用常規(guī)干擾信號。

圖3 復(fù)合波形的干擾探測信號

4 設(shè)備組成

發(fā)射干擾站與協(xié)同探測定位設(shè)備組成如圖4所示?？刂浦行母鶕?jù)環(huán)境情況發(fā)出控制指令，發(fā)射干擾站接到指令后，產(chǎn)生相應(yīng)的干擾信號，并放大發(fā)射。發(fā)射的干擾信號照射到目標上產(chǎn)生回波信號，被協(xié)同探測定位設(shè)備所接收。收發(fā)設(shè)備受控在空間、時間、頻率上同步，信號處理采用匹配濾波處理得到目標信息，而后通過數(shù)據(jù)處理形成目標的點跡和航跡。

圖4 設(shè)備組成

5 信號處理方法

如果雷達接收系統(tǒng)與接收信號相匹配，則雷達接收機輸出端的峰值信噪比達到最大值,無論采用什么樣的雷達波形，匹配濾波器輸出響應(yīng)的峰值瞬時信號與平均噪聲功率之比2倍于接收信號能量E對單位赫茲的噪聲功率N之比[2]：

(3)

當匹配濾波器接收機與發(fā)射波形相匹配，脈沖寬度為T，且?guī)挼扔诮邮障到y(tǒng)噪聲帶寬βn，脈沖壓縮處理減少了響應(yīng)的寬度，增加了輸出包絡(luò)的峰值，增加的因子定義為信號處理增益D。對于理想匹配而言，其增益D接近于時間帶寬乘積Tβn。

匹配濾波器輸出響應(yīng)的瞬時峰值信噪比：

(4)

如果以噪聲調(diào)頻脈沖信號作為發(fā)射信號[3]，其時域表達式關(guān)系如下：

(5)

(6)

式中：A為載波振幅；t0為信號脈沖寬度；ωc為載波頻率；KFM為調(diào)頻斜率，表示調(diào)制噪聲每伏電壓引起的頻率變化；un(τ)為調(diào)頻噪聲函數(shù)，均值帶限高斯白噪聲；φ為[0,2π]上的均勻分布，與噪聲un(t)相互獨立。

調(diào)頻噪聲函數(shù)滿足高斯分布,un的概率密度函數(shù)為：

(7)

發(fā)射信號的頻譜：

(8)

當mfe?1時：

(9)

式中：mfe=KFMσ/ΔFn；fde=KFMσ。

調(diào)頻噪聲的功率：

(10)

目標與發(fā)射機相距R，其回波信號被接收機所接收，其回波表示為：

x(t)=σ0s(t-tR)+nr(t)

(11)

回波譜：

X(f)=GS(f)ej2πftR+N0

(12)

目標的回波信號中包含了發(fā)射信號的特征，因此在信號處理中采用與發(fā)射信號樣本相匹配的沖擊響應(yīng)函數(shù)進行匹配濾波的處理。

匹配濾波輸出：

y(t)=x(t)*h(t)

(13)

沖擊響應(yīng)函數(shù)時域表達式：

h(t)=s*(-t)

(14)

對應(yīng)于頻域：

Y(f)=X(f)H(f)

(15)

匹配濾波器的輸出峰值為回波中與樣本匹配的信號，輸出功率Y(f)=GS(f)2，無回波區(qū)輸出的是噪聲功率。

匹配濾波器輸出的最大信噪比：

(16)

此時該信噪比所代表的物理意義就是主瓣與τ?1/B處的旁瓣之比，因此對于積累時間為T0,帶寬為B的噪聲調(diào)頻信號,其遠區(qū)主旁瓣比為時寬帶寬積BT0。

由此可以看出，噪聲調(diào)頻信號可以作為探測信號使用。

圖5為噪聲調(diào)頻信號脈壓的數(shù)學仿真結(jié)果，此時噪聲調(diào)頻信號帶寬5 MHz，脈寬取200 μs，可以看出脈壓得益約為30 dB。

圖5 噪聲調(diào)頻波形的脈壓結(jié)果

6 外場試驗結(jié)果

在外場試驗中，我們對飛行目標進行相關(guān)探測試驗，設(shè)備發(fā)射峰功率不足800 W，采用純噪聲調(diào)頻信號，信號重復(fù)周期Tr=4 ms，脈寬τ=200 μs，帶寬B=5 MHz，理論脈壓得益D=30 dB。探測結(jié)果如圖6所示，深色為實際探測結(jié)果，淺色為飛機自動相關(guān)監(jiān)視廣播(ADS-B)得到的位置信息，可以看出，能夠探測到125 km遠的民航目標，反推系統(tǒng)靈敏度到-128 dBm，信號壓縮得益大于28 dB以上。

圖6 噪聲調(diào)頻信號實際探測結(jié)果

7 結(jié) 論

本文通過理論分析、數(shù)學仿真和外場試驗證明，利用調(diào)頻噪聲信號是可以進行探測和定位的。該項技術(shù)充分利用現(xiàn)有的干擾發(fā)射設(shè)備發(fā)射干擾探測信號，使得干擾發(fā)射設(shè)備既可以當作干擾設(shè)備，也可以當作目標探測的發(fā)射設(shè)備，在干擾的同時對附近的無源目標進行探測和定位，是一種高效、多功能的設(shè)備。